CN113721661A - 一种合作式无人机集群观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合作式无人机集群观测装置，其包括合作目标发光装置，多个相同的拍摄和测量单元，GNSS接收器和一个成像控制单元；所述的合作目标发光装置位于无人机上；所述的拍摄和测量单元包含镜头，窄带滤光片，图像传感器，图像传感器时序控制器，星点侦测模块和数据输出模块；成像控制单元，用于对多个相同的拍摄和测量单元进行统一控制，包含一个数据收集模块和一个图形发生器，数据收集模块与每一个单元的未知目标输出模块连接，图形发生器与数据收集模块和星点侦测模块分别连接。本发明实现了白天，不受环境光影响下对合作式无人机集群的观测，同时能够在广视场大范围对无人机集群进行观测和对特定个体进行甄别。
Description
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种合作式无人机集群观测装置。
背景技术
无人机是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对起飞环境要求低、战场生存能力较强等优点。
小型无人机集群，目前在军用和民用中都受到广泛关注，在侦察监视、航拍、农业、植保、灾难救援电力巡检等领域得到广泛应用。
集群中，无人机之间的相互位置关系及其变化情况与完成任务的能力密切相关，因此在各类应用中均需要实时掌握无人机之间的相互位置关系，以支撑对整个集群的任务完成能力的评估。
现有技术对无人机及其集群的观测主要包括雷达和光电手段。其中，雷达可以全天时工作、但受限于分辨率对集群中个体的测量精度不够，主要适合单体的探测，同时，由于雷达有主动辐射，不适合城市内的长时间工作。光电手段又包括可见光和红外，可见光波段的相机只能白天工作；红外探测系统可昼夜工作，但受限于红外传感器的性能，在观测无人机集群时具有视场小、分辨率低、系统复杂、成本较高等困难。同时，光电探测手段如需要进行无人机三维坐标的测量，需要集成激光雷达或测距机，进一步增加了系统的复杂性。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种合作式无人机集群观测装置，解决无人机集群的全天候探测和定位问题。
本发明公开了一种合作式无人机集群观测装置，包括合作目标发光装置，多个相同的拍摄和测量单元，GNSS接收器和一个成像控制单元；
所述的合作目标发光装置安装于无人机上，包括GNSS授时模块、光源驱动电路和光源；
所述的拍摄和测量单元包含镜头、窄带滤光片、图像传感器、图像传感器时序控制器、星点侦测模块、数据输出模块和未知目标输出模块。
所述的未知目标输出模块用于从星点侦测模块中获取无人机目标的位置信息并输出至数据收集模块。
所述的成像控制单元对多个相同的拍摄和测量单元进行统一控制，包含一个数据收集模块和一个图形发生器，数据收集模块与每一个拍摄和测量单元的未知目标输出模块连接，用于接收无人机目标的位置信息，图形发生器与数据收集模块和星点侦测模块分别连接。
所述的GNSS接收器与成像控制单元连接，GNSS接收器与每一个拍摄和测量单元的图像传感器时序控制器连接，图像传感器时序控制器用于控制图像传感器的拍摄时刻，从而实现所有图像传感器的同步拍摄或拍摄时序控制。。
所述的合作目标发光装置，其光源为LED光源或者激光光源。
所述光源驱动电路接收GNSS授时模块输出的脉冲信号，并利用该脉冲信号驱动合作目标发光装置的光源发光，实现光源在指定时间段进行周期性发光。
GNSS接收器利用全球定位卫星网络的授时数据进行授时，使得合作目标发光装置的光源在一个设定时刻，实现周期性的发光，该设定时刻的精度为微秒级或者亚微秒级。
所述的镜头接收其视场内的光线，该光线经由镜头的窄带滤光片传输至图像传感器，所述的窄带滤光片只对合作目标发光装置所发的波长光具有高透过率，对其他波段光具有深截止特性。
每个拍摄和测量单元的图像传感器时序控制器都与GNSS接收器连接，GNSS接收器用于接收来自全球定位系统卫星的授时数据，并根据其接收的授时数据产生对图像传感器的驱动信号。图像传感器接收到GNSS接收器发出的驱动信号后，图像传感器使其电子快门的开启时刻和采集周期，与合作目标发光装置的光源的开启时刻和频闪周期，在同一全球定位卫星系统的时间体系内是相同时刻或者相互之间的时差小于某一阈值，从而缩短图像传感器的曝光时间。
所述的图像传感器时序控制器还包括一个延迟模块，该延迟模块用于根据用户设定值，控制图像传感器的驱动信号产生时刻的延迟量，从而使图像传感器电子快门的开启时刻和采集周期相对当前授时数据具有该延迟量，实现基于当前授时数据的具有一个时间差的快门控制时序，通过保持图像传感器驱动电路中的延迟模块延迟量与特定发光个体的光源驱动电路产生的发光时刻延迟量相同，使加上延迟量的图像帧只显示特定个体。
所述的星点侦测模块，用于检测图像传感器采集的图像中的亮度高于图像本底亮度平均值的像素点，并且输出该像素点在像平面坐标系下的坐标(X,Y)至未知目标输出模块和数据输出模块。星点侦测模块与未知目标输出模块和数据输出模块分别连接。
所述的图形发生器，与数据收集模块和星点侦测模块分别连接，用于产生可视化的无人机集群观测结果。
本发明的有益效果为：本发明实现了白天，不受环境光影响下对合作式无人机集群的观测。本发明实现了广视场大范围的无人机集群观测。本发明实现了对特定无人机个体的甄别。
附图说明
图1为本发明装置的组成示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明公开了一种合作式无人机集群观测装置，包括合作目标发光装置，多个相同的拍摄和测量单元，GNSS接收器和一个成像控制单元；图1为本发明装置的组成示意图。
所述的合作目标发光装置安装于无人机上，包括GNSS授时模块、光源驱动电路和光源；
所述的拍摄和测量单元包含镜头、窄带滤光片、图像传感器、图像传感器时序控制器、星点侦测模块、数据输出模块和未知目标输出模块。未知目标输出模块用于从数据收集模块中获取无人机目标的位置信息并输出至数据收集模块。
若干个图像传感器、窄带滤光片和镜头共同构成阵列化的相机单元。阵列化的相机单元可以有效的拓宽观测的视野范围。
所述的成像控制单元对多个相同的拍摄和测量单元进行统一控制，包含一个数据收集模块和一个图形发生器，数据收集模块与每一个拍摄和测量单元的未知目标输出模块连接，用于接收无人机目标的位置信息，图形发生器与数据收集模块和星点侦测模块分别连接。
所述的GNSS接收器与成像控制单元连接，GNSS接收器与每一个拍摄和测量单元的图像传感器时序控制器连接，从而实现所有图像传感器的同步拍摄。图像传感器时序控制器用于控制图像传感器的拍摄时刻。
所述的合作目标发光装置，其光源为LED光源或者激光光源。
所述光源驱动电路接收GNSS授时模块输出的脉冲信号，并利用该脉冲信号驱动合作目标发光装置的光源发光，实现光源在指定时间段进行周期性发光。所述的镜头接收其视场内的光线，该光线经由镜头的窄带滤光片传输至图像传感器，所述的窄带滤光片只对合作目标发光装置所发的波长光具有高透过率，对其他波段光具有深截止特性。
每个拍摄和测量单元的图像传感器时序控制器都与GNSS接收器连接，GNSS接收器用于接收来自全球定位系统卫星的授时数据，并根据其接收的授时数据产生对图像传感器的驱动信号。图像传感器接收到GNSS接收器发出的驱动信号后，图像传感器使其电子快门的开启时刻和采集周期，与合作目标发光装置的光源的开启时刻和频闪周期，在同一全球定位卫星系统的时间体系内是相同时刻或者相互之间的时差小于某一阈值。
所述的图像传感器时序控制器还包括一个延迟模块，该延迟模块用于根据用户设定值，控制图像传感器的驱动信号产生时刻的延迟量，从而使图像传感器电子快门的开启时刻和采集周期相对当前授时数据具有该延迟量。
通过将特定个体的发光时刻加上固定延迟量。该延迟量与每一个单元的图像传感器驱动电路中的延迟模块延迟量相同，则加上延迟量的图像帧将只显示特定个体，有利于甄别无人机集群里面的某一个或者某几个特定个体。
所述的星点侦测模块，用于检测图像传感器采集的图像中的亮度高于图像本底亮度平均值的像素点，并且输出该像素点在像平面坐标系下的坐标(X,Y)至未知目标输出模块和数据输出模块。
所述的图形发生器，与数据收集模块和星点侦测模块分别连接，用于产生可视化的无人机集群观测结果。
GNSS接收器利用全球定位卫星网络的授时数据进行授时，使得合作目标发光装置的光源在一个设定时刻，实现周期性的发光，该设定时刻的时间精度为微秒级或者亚微秒级；GNSS接收器根据全球定位卫星网络的授时数据，产生用于驱动图像传感器工作的驱动信号，使得图像传感器的曝光时刻与合作目标发光装置光源的发光时刻实现一致，缩短图像传感器的曝光时间。由于电子快门开启时刻和长度与发光时刻高度一致，实现极短时间的同步拍摄，从而将相机的曝光时间缩短到极短，实现在白天对环境光的有效抑制。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种合作式无人机集群观测装置，其特征在于，包括合作目标发光装置，多个相同的拍摄和测量单元，GNSS接收器和一个成像控制单元；
所述的合作目标发光装置安装于无人机上，包括GNSS授时模块、光源驱动电路和光源；
所述的拍摄和测量单元包含镜头、窄带滤光片、图像传感器、图像传感器时序控制器、星点侦测模块、数据输出模块和未知目标输出模块；
所述的成像控制单元对多个相同的拍摄和测量单元进行统一控制，包含一个数据收集模块和一个图形发生器，数据收集模块与每一个拍摄和测量单元的未知目标输出模块连接，用于接收无人机目标的位置信息，图形发生器与数据收集模块和星点侦测模块分别连接；
所述的GNSS接收器与成像控制单元连接，GNSS接收器与每一个拍摄和测量单元的图像传感器时序控制器连接，图像传感器时序控制器用于控制图像传感器的拍摄时刻，从而实现所有图像传感器的同步拍摄或者拍摄时序控制。
2.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
所述的未知目标输出模块用于从星点侦测模块中获取无人机目标的位置信息并输出至数据收集模块。
3.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
所述的合作目标发光装置，其光源为LED光源或者激光光源。
4.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
所述光源驱动电路接收GNSS授时模块输出的脉冲信号，并利用该脉冲信号驱动合作目标发光装置的光源发光，实现光源在指定时间段进行周期性发光；
所述的镜头接收其视场内的光线，该光线经由镜头的窄带滤光片传输至图像传感器，所述的窄带滤光片只对合作目标发光装置所发的波长光具有高透过率，对其他波段光具有深截止特性；
每个拍摄和测量单元的图像传感器时序控制器都与GNSS接收器连接，GNSS接收器用于接收来自全球定位系统卫星的授时数据，并根据其接收的授时数据产生对图像传感器的驱动信号；图像传感器接收到GNSS接收器发出的驱动信号后，图像传感器使其电子快门的开启时刻和采集周期，与合作目标发光装置的光源的开启时刻和频闪周期，在同一全球定位卫星系统的时间体系内是相同时刻或者相互之间的时差小于某一阈值，从而缩短图像传感器的曝光时间。
5.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
所述的图像传感器时序控制器还包括一个延迟模块，该延迟模块用于根据用户设定值，控制图像传感器的驱动信号产生时刻的延迟量，从而使图像传感器电子快门的开启时刻和采集周期相对当前授时数据具有该延迟量。
6.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
所述的星点侦测模块，用于检测图像传感器采集的图像中的亮度高于图像本底亮度平均值的像素点，并且输出该像素点在像平面坐标系下的坐标(X,Y)至未知目标输出模块和数据输出模块。
7.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
所述的图形发生器，与数据收集模块和星点侦测模块分别连接，用于产生可视化的无人机集群观测结果。
8.如权利要求1所述的合作式无人机集群观测装置，其特征在于，
GNSS接收器利用全球定位卫星网络的授时数据进行授时，使得合作目标发光装置的光源在一个设定时刻，实现周期性的发光，该设定时刻的时间误差为微秒级或者亚微秒级。
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